Plasma (Physik)

Das für Plasmen typische Leuchten wird genutzt. Im Plasma führen Stoßprozesse schneller Elektronen mit Gasatomen oder Molekülen dazu, dass Elektronen aus der Hülle der getroffenen Partikel Energie zugeführt wird. Diese Energie wird dann zu einem späteren Zeitpunkt als abgestrahltes Licht freigesetzt. Das entstehende Spektrum hängt stark von den vorhandenen Gasen, dem Druck und der mittleren Energie der Elektronen ab.

In einigen Fällen kann das emittierte Licht direkt genutzt werden, so in einigen Metalldampf-Hochdrucklampen (beispielsweise Natriumdampflampen – an dem stark gelben Licht zu erkennen), die in der Straßenbeleuchtung verbreitet zum Einsatz kommen oder bei bestimmten Edelgas-Hochdruckentladungen (z. B. Xenon). In anderen Fällen, wenn die Emission eher im UV-Bereich erfolgt (im Wesentlichen Quecksilberdampflampen), muss die elektromagnetische Strahlung in für Menschen sichtbares Licht umgewandelt werden. Dies erreicht man mit Leuchtstoffen, die auf der Wand der Entladungsgefäße aufgebracht sind. Dabei wird die ultraviolette Strahlung im Leuchtstoff absorbiert und als Strahlung im Sichtbaren wieder abgegeben. Beispiele hierfür sind die bei der Innenraumbeleuchtung eingesetzten Leuchtstoff- und Energiesparlampen und die in Projektoren und im Außenbereich verwendeten Quecksilberhochdrucklampen.

Der Einsatz von Plasmen für chemische Reaktionen beruht auf der durch sie gelieferten hohen Konzentrationen chemisch reaktiver Molekülbruchstücke. In der Vergangenheit gab es Versuche, plasmachemische Verfahren industriell zur Synthese einzusetzen. Die komplexe Plasmazusammensetzung macht derartige Umsetzungen jedoch sehr aufwändig und wenig effizient. Plasmachemische Verfahren werden deshalb heute in der chemischen Synthese praktisch nicht mehr eingesetzt, sondern nur noch bei der Entsorgung giftiger Gase.

Die erste bekannte Anwendung von Plasma in der chemischen Industrie ist das Birkeland-Eyde-Verfahren der Stickstoffoxidation zur Herstellung von Salpetersäure. Obwohl dieses Verfahren aufgrund der schlechten Energieausbeute aufgegeben wurde, ist die Forschung auf diesem Gebiet immer noch aktiv, insbesondere durch die Suche nach einer nicht-thermischen Plasmaanwendung anstelle der ursprünglich verwendeten thermischen.

Ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung ist die Synthese von Diamanten. Dabei wird ein Diamant aus dem Plasma auf eine Oberfläche abgeschieden. Diese Diamantschicht ist polykristallin und hat nicht die Qualität von Schmuckdiamanten. Die Wachstumsraten dieser Schicht sind sehr klein (ca. 1 µm/h). Daher sind dickere Schichten sehr teuer.

In großem Umfang wird Plasmachemie weiterhin in der Halbleiterindustrie betrieben. Hier werden Plasmen zum (Trocken-)Ätzen (Plasmaätzen) und zur Schichtabscheidung PECVD verwendet. Bei Ätzprozessen wird im Gegensatz zur Beleuchtungstechnik der direkte Kontakt des Plasmas mit der Oberfläche ausgenutzt, um gezielten Materialabtrag zu erreichen. Eine Schlüsselrolle spielen hierbei die in Wandnähe herrschenden elektrischen Felder, welche charakteristisch für Randschichten sind. Ein weiterer großer Anteil zum Ätzabtrag bilden die im Plasma enthaltenen Ionen. Diese können mit Hilfe von Magnetfeldern beschleunigt werden und so zusätzlichen, gerichteten Ätzabtrag erreichen. Das Plasmaätzen muss nicht mit chemisch-reaktiven Vorgängen verbunden sein und ist insofern eine physikalische Anwendung.

Plasmen werden zum Plasmaschneiden, Plasmaschweißen und Löten mit Plasmabrennern eingesetzt. Das Plasma wird meistens mittels eines Lichtbogens erzeugt. Neue Verfahren verwenden Plasmen, die bei 2,45 GHz erzeugt werden, mit verschleißfreien Kupferelektroden arbeiten und auch für feinste Schnitte bis hin zum Skalpell eingesetzt werden können.

Weiterhin werden Plasmen zur Vorbehandlung (Reinigung und Aktivierung) von Klebeverbindungen eingesetzt, mittlerweile das Standardverfahren in der deutschen Automobilindustrie. Zwei Arten von Plasma können hier eingesetzt werden: Einmal das Niederdruckplasma, das bei Raumtemperatur die Oberflächen reinigt und aktiviert. Bei dieser Art Plasma ist es aber auch möglich, Bauteile hydrophob oder hydrophil zu beschichten oder zu ätzen. Die Anregung erfolgt hier meist über Generatoren mit Frequenzen von 40 – 100 Kilohertz, 13,56 Megahertz oder 2,45 Gigahertz (Mikrowellenanregung). Zum anderen können für die Reinigung und Aktivierung auch Plasmajets verwendet werden, die auf Bogen- oder Funkenentladung basieren.

Die Magnetoplasmadynamik beschreibt das Verhalten strömender Plasmen im Magnetfeld. Es kann Elektroenergie gewonnen werden (MHD-Generator) oder es dient dem Antrieb von Raumfahrzeugen (Magnetoplasmadynamischer Antrieb).

Hochdichte heiße Plasmen – erzeugt durch Laserimpuls-Bestrahlung oder durch elektrische Entladungen – dienen als EUV-Strahlungsquellen. Diese werden in der EUV-Lithografie verwendet.

Es kann unterschieden werden zwischen

• Niederdruckplasmen
• Normaldruckplasmen bzw. Atmosphärendruckplasmen
• Hochdruckplasmen

Niederdruckplasmen werden in verdünnten Gasen erzeugt, deren Druck signifikant niedriger liegt als der Atmosphärendruck. Beispiele sind Glimmlampen, das Polarlicht oder Leuchtstofflampen.

Normaldruckplasmen werden ungefähr bei atmosphärischem Druck erzeugt. Eine typische Anwendung sind die dielektrischen Barriereentladungen, die beispielsweise bei der Bearbeitung von Kunststoffmaterialien eingesetzt werden. Ein weiteres Beispiel sind Lichtbögen, wie sie beim elektrischen Schweißen entstehen.

Bei Hochdruckplasmen ist der Plasmadruck signifikant höher als der Atmosphärendruck. Ein typisches Beispiel sind Hoch- und Höchstdruck-Gasentladungslampen. Auch in Gewitterblitzen und Funken herrscht kurzzeitig sehr hoher Druck.

Ein wichtiges Merkmal eines Plasmas ist, inwieweit es sich im thermischen Gleichgewicht (TG) befindet:

• Im vollständigen thermischen Gleichgewicht haben die schweren Spezies (Moleküle, Atome, Ionen) die gleiche Temperatur wie die Elektronen und das Plasma befindet sich auch im Strahlungsgleichgewicht mit der Umgebung, das heißt, es emittiert Hohlraumstrahlung.

• Im lokalen thermischen Gleichgewicht (LTG oder auch engl. LTE) haben die Teilchen aller Arten näherungsweise die gleiche lokale Temperatur, die sich von Ort zu Ort ändern kann. Allerdings besteht kein Gleichgewicht mit dem Strahlungsfeld. Es werden daher auch charakteristische Spektrallinien und von der Hohlraumstrahlung abweichende Kontinua emittiert. Der Zustand des LTG kann immer dann angenommen werden, wenn Stoßprozesse gegenüber den Strahlungsprozessen deutlich dominieren.
  Dieser Fall liegt z. B. in vielen technisch genutzten Plasmen mit Temperaturgradienten vor, etwa in der Lichttechnik mit Mittel- und Hochdruckentladungen.
  Bei Plasmen müssen für LTG nicht notwendig hoher Plasmadruck bzw. hohe Plasmadichte vorausgesetzt werden. Die Dominanz von Stoßprozessen kann auch durch große Turbulenzen, hinreichend starke kollektive Effekte – also durch starke Wechselwirkung der Teilchen untereinander – oder innere magnetische Felder erreicht werden.

• Bei nicht-thermischen Plasmen dagegen haben die Elektronen eine viel höhere Temperatur als die schwerere Spezies. Dazu gehören typischerweise die Niederdruck- und die Mikrowellenplasmen. Ein solches Plasma wird in der Regel aus neutralen Atomen eines Festkörpers oder Gases durch Energiezufuhr – meist elektrischer Energie – erzeugt und aufrechterhalten. Dabei können die Elektronen Temperaturen von mehreren 10.000 Kelvin annehmen; die Temperatur der Ionen und des Neutralgases kann gleichzeitig wesentlich niedriger, beispielsweise bei Raumtemperatur, liegen. Mit derartigen Plasmen können Werkstücke bearbeitet werden (Beschichtung, Plasmaätzen), ohne sie übermäßig zu erhitzen. Damit eignen sich Niedertemperaturplasmen besonders für die Oberflächenmodifizierung von temperaturempfindlichen Polymeren.

Der Grad der Ionisierung des Plasmas ist eine weitere charakteristische Eigenschaft. Der Ionisierungsgrad gibt den Anteil der Spezies an, die durch Ionisation Elektronen abgegeben haben. Wenn TG oder wenigstens LTG vorliegt, beschreibt die Saha-Gleichung den Grad der Ionisierung dieses Plasmas als Funktion der Temperatur, der Dichte und der Ionisierungsenergien der Atome.

• Thermische Plasmen mit hoher Temperatur (beispielsweise Sonnenkorona oder Fusionsplasmen) sind fast vollständig ionisiert.
• Bei technisch hergestellten Niederdruckplasmen dagegen liegt der Grad der Ionisierung maximal bei wenigen Promille, und außerhalb des thermischen Gleichgewichts können sie nicht mehr durch die Saha-Gleichung beschrieben werden.
• Ist die Ionendichte eines Plasmas bekannt oder kann mittels geeigneter Methoden bestimmt werden, so ist der Ionisationsgrad des Plasmas einfach das Verhältnis aus Ionendichte und der Summe von Neutralteilchen- und Ionendichte.
• Bei niedrigem Ionisationsgrad sind viele Effekte in Plasmen durch Stöße der Ionen und Elektronen an den dominant vorhandenen Neutralgasatomen bestimmt.

Die durch den Ionisierungsgrad und den Gasdruck bestimmte Ladungsträgerdichte eines Plasmas bestimmt die Ausbreitungsfähigkeit elektromagnetischer Wellen im Plasma, siehe auch Ionosphäre.

Bei thermischer Anregung werden die Ladungsträger durch Stoßionisation aufgrund der Wärmebewegung erzeugt. Es sind bei Normaldruck ca. 15.000 K erforderlich, um eine nahezu vollständige Ionisation zu erzielen. Mit steigendem Druck steigt die erforderliche Temperatur. Eine Möglichkeit hierfür ist die Bestrahlung mit fokussierter Laserstrahlung. Trifft der gebündelte Laserstrahl auf einen Festkörper, entstehen Temperaturen von einigen tausend Kelvin, so dass eine thermische Ionisation stattfindet, die sich auch in den Gasraum über der Oberfläche ausbreitet. Das entstehende Plasma absorbiert seinerseits weitere Laserstrahlung und verstärkt den Vorgang. Bei besonders kurzen Laserpulsen kann es zum Phänomen der Selbstfokussierung oder Abschirmung des Strahls durch das Plasma kommen.

Führt eine exotherme Reaktion zu einer starken Erwärmung des Gases, so bewirken die durch die schnelle Molekülbewegung verursachten Stoßionisationsprozesse den Übergang in den Plasmazustand. Als Reaktion kommen chemische Verbrennung, Kernspaltung und Kernfusion in Frage.

Bei Plasmaanregung durch Strahlung werden die Ladungsträger durch ionisierende Strahlung erzeugt. Hierfür muss die Quantenenergie bzw. Teilchenenergie die Ionisierungsenergie der bestrahlten Materie übersteigen. Das ist in Gasen bereits mit Ultraviolett möglich. Röntgen- und weiche Gammastrahlung wird in Gasen dagegen wenig absorbiert. Ab einer bestimmten Energie findet jedoch Paarbildung statt und die Ionisation ist effektiv. Ein hohes Ionisationspotenzial haben Beta- und Alpha-Strahlen.

Elektrostatische Felder führen zu Entladungen oder zu Vorentladungen. Weitere Ionen werden durch Elektronen-Stoßionisation erzeugt. Beispiele sind der Gewitterblitz und elektrostatische Entladungen.

Zwischen zwei Elektroden wird eine ausreichend hohe elektrische Gleichspannung angelegt. Bei geeigneter Kombination von Spannung, Elektrodenabstand und Gasdruck kommt es zu einem Überschlag und dem Zünden einer Entladung zwischen den Elektroden. Dabei wird zwischen Gasentladungen, Funkenentladung und Vakuumfunken unterschieden.

In allen Fällen bildet sich ein Plasma aus, welches auch den Stromfluss der Entladung ermöglicht. Ist der Stromfluss ausreichend hoch, erhitzen sich die Elektroden und der Elektronenaustritt wird erleichtert, es entsteht ein Lichtbogen. Lichtbögen werden beim Elektroschweißen und bei Bogenlampen (Lichtbogenlampen) ausgenutzt. Sie können auch mit Wechselspannung betrieben werden.

Die Höhe der bis zum Zünden eines Plasmas nötigen Spannung hängt vom Elektrodenabstand, deren Form und dem Gasdruck ab (Paschen-Gesetz).

Durch einen hohen Stromfluss (z. B. aus einer Kondensatorbatterie) durch einen dünnen Metalldraht verdampft dieser explosionsartig in einigen Mikro- bis Millisekunden. Dadurch entsteht eine teilweise ionisierte Metalldampfwolke und es kann eine Bogenentladung zünden, die zur weiteren Ionisierung des Metalldampfes führt. Zunächst findet also thermische Anregung, danach auch Anregung durch Stoßionisation statt. Ein Anwendungsgebiet der Drahtexplosion findet sich in der Z-Maschine.

Um die rasche Ausdehnung des Plasmas zu verhindern, kann dies in einem nicht leitenden Röhrchen stattfinden (Kapillarentladung).

Bei den Anregungen durch elektromagnetische Felder werden die Ladungsträger durch eine Elektronenstoßionisation erzeugt. Sehr hohe Intensität im Fokus eines Laserstrahles kann auch in Luft zur Ausbildung eines Plasmas führen (Luftdurchbruch). Verantwortlich ist die sehr hohe elektrische Feldstärke der Wellen. Der Energieeintrag kann durch Zyklotronresonanz verbessert werden.

Ein ausreichend starkes elektrisches Wechselfeld wird an zwei Platten angelegt. Zwischen den Platten bildet sich ein Plasma, in welchem geladene Teilchen mit der Frequenz des Wechselfeldes hin und her oszillieren (Hochfrequenzanregung). Aus den Platten treten dabei nicht zwingend Ladungsträger aus. Welche Teilchen oszillieren, hängt von deren Masse und Ionisationsgrad ab. Die Frequenz, bis zu der hin eine Teilchensorte mitschwingen kann, wird Plasmafrequenz genannt.

Die Platten können auch außerhalb des Entladungsgefäßes angebracht sein, sodass deren Feld nur aufgrund der Kapazität der Wandung in das Plasma gelangt. Man spricht dann von elektrodenloser Anregung. Auf diese Weise werden Verunreinigungen durch das Elektrodenmaterial und der Verschleiß der Elektroden vermieden. Nach diesem Prinzip arbeiten einige Kohlendioxidlaser und Entladungs-Lampen mit dielektrischer Barriere.[8]

Siehe hierzu auch Stille elektrische Entladung.

Induktiv angeregtes Niederdruckplasma in einem Glasrohr in einer Hochfrequenzspule

Ein hochfrequenter Wechselstrom durch eine ein Vakuumgefäß umgebende Anregungsspule induziert ringförmige Ströme in einem Plasma. Angewendet wird das Verfahren in Induktionslampen und bei der Gasphasenabscheidung (PECVD) in Rohren.

In Tokamaks für Kernfusionsexperimente wird das Plasma in einem ringförmigen Vakuumbehälter durch einen parallel geführten, ansteigenden Strom geheizt und gleichzeitig durch das starke ringförmige Magnetfeld einer zweiten, toroidal gewickelten Spule berührungslos eingeschlossen.

Hierbei werden Mikrowellen eines Magnetrons in den Reaktionsraum geleitet. Die Feldstärke der elektromagnetischen Welle muss zunächst hoch genug sein, um einen elektrischen Durchbruch und Stoßionisation hervorzurufen. Ist das Plasma gezündet, verändern sich die Feldstärke- und Impedanzverhältnisse stark – die Anpassungsbedingungen des sendenden Magnetrons ändern sich.

Alternativ werden atmosphärische Plasmen durch Jets (oder Strahler) über gut in der Leistung regelbare Transistorschaltungen (Bereiche 2–200 W) erzeugt. Solche kalten Plasmen werden bei Frequenzen oberhalb der Plasmaresonanz generiert (2,45 GHz), damit nur die Elektronen in dem Plasma beschleunigt werden. Diese Mikrowellenplasmen werden oft auch als Mikroplasma bezeichnet. Diese Plasmajets weisen aufgrund des kalten Plasmas eine Wärmeeinkoppeleffizienz von rund 90 % auf und übertreffen somit aufgrund der großen Verluste in der Elektrolyse Wasserstoffbrenner in der Gesamteffizienz um rund den Faktor 3.

Praktische Anwendungen sind Plasmageneratoren, Plasmajets und -beschichtungsanlagen, Nieder- und Hochdruckplasmenkammern für chemische Reaktoren, Ionenquellen, die Schwefellampe, Hochdrucklampen (mit Wirkungsgraden bis zu 129 lum/W), sowie die quecksilberfreie Energiesparlampe und die Diamantsynthese. Forschungsthemen sind folgende Themen: Fusionstechnik, GHz-Zündkerzen, 3D-Drucker für Metall und Keramik, Mikrowellenskalpell, MW-Schweißgerät und breitbandige Ultraschallquellen.

Der Strom, der durch das Plasma fließt, erzeugt ein Magnetfeld, welches wiederum das Plasma zusammenschnürt. Dies wird als Pinch-Effekt bezeichnet. Dabei wird das Plasma dichter und heißer. Wenn die Stromquelle hohe Ströme im Bereich einiger zehn Kiloampere liefert, können sehr dichte, heiße und sehr stark ionisierte Plasmen erzeugt werden, die Röntgenstrahlung emittieren oder in denen sogar Kernfusionen stattfinden (Tokamak). Der Pinch-Effekt ist auch die Ursache dafür, dass sich in einem Blitz ein enger Kanal für den Strom bildet.

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